Детская энциклопедия

Меню сайта











Квантово-механические радиоустройства

Шла вторая мировая война. Фашистские самолеты бомбили города Англии. Радиолока­ционные станции на британском побережье обна­руживали вражеские самолеты и позволяли ан­гличанам подготовиться к защите.

Постепенно было замечено, что радиолокато­рам, которые работали на волнах метрового диа­пазона, мешают сильные помехи. Англичане предположили, что это противник «забивает» эфир помехами нового вида. Но после внима­тельных наблюдений обнаружилось, что помехи всегда появлялись рано утром, на заре, когда антенны смотрели в сторону восходящего солн­ца. Весь остальной день и всю ночь станции работали нормально. Следовательно, радиопо­мехи посылало Солнце.

Этот случай лишний раз подтвердил, что природа всех электромагнитных волн одинако­ва. Солнце излучает и свет и радиоволны в ши­роком диапазоне частот. Из Вселенной к нам непрерывно идет поток радиоизлучений от звезд и туманностей, от скоплений межзвездно­го газа и других космических объектов.

Излучение электромагнитных волн заключе­но в самой природе вещества и энергии. Элект­ромагнитную энергию частиц вещества изучает наука квантовая механика.

Каждый атом состоит из ядра и электронных оболочек — орбит, по которым вращаются элект­роны. Орбита электрона может проходить и близко от ядра и на сравнительно далеком от него расстоянии — это зависит от количества его

энергии. Но у каждого атома есть свои опре­деленные, «разрешенные» орбиты, между кото­рыми электроны находиться не могут: энергия электронов может меняться только скачками (см. статьи «Свет» и «Загадки твердого тела»).

В обычном, или, как говорят, невозбужден­ном, состоянии электрон занимает самый ниж­ний энергетический уровень. Чем больше запас энергии, тем дальше от ядра вращается элект­рон. Ближняя к ядру орбита — самая устойчи­вая, и в возбужденном атоме электрон всегда стремится перебраться на нее. Но если электрон был на высоком уровне, то куда же денется избыток энергии, когда он перейдет на нижний уровень? Вот эта-то энергия и излучается в ви­де электромагнитной волны.

При переходе электрона с одного уровня на другой энергия выделяется вполне определен­ными порциями — квантами. Чем боль­ше разница между энергетическими уровнями, чем больше энергия кванта, тем выше частота электромагнитного излучения. Таким образом, атомы, в которых много электронов и много «разрешенных» орбит, могут излучать электро­магнитные волны самой различной длины, в том числе и радиоволны.

В окружающей нас природе происходят и другие квантовые процессы, которые сопровож­даются излучением электромагнитной энергии. Изменение энергии колебаний атомов в пределах молекулы порождает инфракрасные лучи; из­менение энергии во вращательном движении молекул создает еще более длинноволновые излучения, спектр которых в зависимости от вещества простирается до радиоволн сантимет­рового диапазона. Свет, идущий от пламени спички, это результат многочисленных переме­щений электронов, возбужденных тепловым воздействием горения.

Таким образом, атомы и молекулы излучают электромагнитные волны самых разных частот. Такое беспорядочное излучение нельзя исполь­зовать для радиопередач, так как модулирую­щий сигнал, несущий сообщение, может быть наложен лишь на волну какой-либо определен­ной, устойчивой частоты. Такие колебания на­зывают монохроматическими, т. е. колебаниями одной частоты. Если спектр излу­чаемого сигнала шире, чем спектр модулирую­щих частот, то они затеряются среди много­численных частот излучаемого сигнала и их нельзя будет выделить из него. Поэтому, что­бы использовать для целей радиотехники, ска­жем, свет, нужно создать генераторы монохро­матического, или, как еще говорят, когерентного, светового излучения. Иными словами, уст­ройство должно излучать не просто световой луч, а луч только одной частоты, одной длины волны, например только красный (рис. 23).


 

Проникновение в микромир, глубокое изу­чение строения вещества и квантовых взаимо­действий, разработка методов, как управлять поведением атомов и молекул,— все это позво­лило использовать сами атомы в качестве передатчиков и приемников радиоволн. Этим зани­мается специальная отрасль радиотехники —квантовая электроника.

Одними из первых были применены в тех­нике молекулярные усилители и генераторы. Были построены генераторы с небывалой ста­бильностью частоты. Это не удивительно, ведь в качестве колебательной системы использо­вались молекулы вещества, колебательные свойства которых практически не зависят от времени.

Современные квантовые генераторы тео­ретически позволяют, например, создать часы с такой точностью хода, что ошибка не превы­сит одну секунду за многие тысячи лет. По­грешность уже созданных атомных часов равна одной секунде за триста лет. Без таких сверх­точных часов невозможны будут, например, космические полеты.

Огромную ценность для радиотехники пред­ставляют квантовые усилители ра­диочастотных колебаний. Они позволяют значи­тельно увеличить чувствительность приемных устройств (до сих пор ее ограничивали собствен­ные шумы приемного устройства). В этих уси­лителях атомы кристаллов, в которых проис­ходит взаимодействие с квантами, подвергнуты глубокому охлаждению (см. ст. «На подсту­пах к абсолютному нулю»). При температуре,

близкой к абсолютному нулю, собственные шу­мы в сантиметровом диапазоне волн ничтожны. Это и позволяет принимать сигналы, в сотни раз более слабые, чем с помощью обычных радио­приемников (рис. 24).

Квантово-механические приборы помогают радиотехнике осваивать все более и более ко­роткие волны. В одном из первых молекуляр­ных генераторов использовались молекулы ам­миака. Частота их собственных колебаний со­ответствует радиоволне длиной 1,25 см.

А сейчас квантовая электроника распола­гает устройствами, способными генерировать и усиливать радиоволны, длина которых доли микрона, т. е. генерировать и усиливать свет!

В обычных источниках света атомы возбуж­даются (их электроны переводятся на более вы­сокий энергетический уровень) за счет нагрева­ния (в лампах накаливания) или за счет газово­го разряда (в газоразрядных лампах). Поскольку возбужденное состояние, как правило, неустой­чиво, атомы излучают свет и возвращаются на первоначальный уровень, причем происходит это беспорядочно, неодновременно.

Колебания таких источников, как говорят, некогерентны.

Но переход электрона на нижний энергети­ческий уровень можно вызвать, искусственно воздействуя внешней силой — электромагнит­ной волной. Подобно тому как резонансный контур откликается только на ту частоту, на которую он настроен, так и энергетический переход электрона в атоме может произвести только та электромагнитная волна, энергия кванта которой в точности соответствует раз­нице энергий между возможными энергетиче­скими уровнями электрона.

Таким образом, если перевести атомы какого-либо вещества на верхний уровень и облучить их волной соответствующей длины, все атомы будут излучать согла­сованно, в такт с проходящей волной. Колебания источников из­лучения будут когерентными. Правда, нужно найти вещест­ва, атомы которых длительное время могли бы находиться в воз­бужденном состоянии и не излуча­ли бы самопроизвольно. Физики нашли такие вещества.

Один из наиболее распростра­ненных квантово-механических приборов — генератор когерент­ного светового излучения. Он на­зван лазером.

Это название составлено из первых букв английских слов «усиление света за счет вынужденного излу­чения». Так же составлены названия и дру­гих квантово-механических приборов: мазер — генератор сантиметровых и милли­метровых радиоволн, и разер — генератор инфракрасных лучей.

Основа лазера — кристалл искусственного рубина, внешним видом и размерами похожий на толстый карандаш. В качестве примеси в кристалл входят ионы хрома. При облучении обычным, некогерентным зеленым светом от мощного внешнего источника (его называют генератором «накачки») энергия как бы накачи­вается в кристалл (рис. 25)

и беспорядочно пе­реводит ионы хрома на верхний уровень. Они так же самопроизвольно и беспорядочно воз­вращаются, но не на нижний уровень, а на средний, теряя только часть приобретенной энергии. Здесь они могут удерживаться до­статочно долго. А уже с этого уровня их мо­жет столкнуть на нижний уровень — одно­временно, как по команде, — луч красного света.

Зеленый свет применяется для накачки ла­зера потому, что энергия его квантов соответ­ствует энергии, необходимой для перевода ионов хрома с нижнего уровня на верхний. Переход со среднего уровня на нижний со­ответствует излучению красного света, по­этому только красный луч и может вызвать излучение возбужденных до среднего уров­ня атомов.

Полезная работа лазера состоит в том, что энергия луча, проходящего сквозь кристалл, увеличивается за счет излучения ионов, и из прибора луч выходит усиленным. Но лишь де­сятая доля процента, идущая от лампы-накач­ки, преобразуется в рубине в узкий пучок крас­ного цвета.

Только узкая полоса частот соответствует зе­леному свету, который переводит ионы хрома с нижнего энергетического уровня на верхний. Эта полоса так узка, что практически луч ла­зера монохроматичен, т. е. излучение идет на одной частоте. Сконцентрированные на среднем энергетическом уровне ионы скачком переходят на нижний уровень и излучают частоту, соответ­ствующую разнице между энергиями нижнего и среднего уровней.

Излучение лазера импульсное, так как ионы не могут долго удерживаться на среднем уровне. Стоит нескольким из них перейти на нижний уровень, как появившийся красный луч начнет вызывать переходы других ионов.

Пройдя вдоль рубинового «карандаша», луч усилится сравнительно ненамного. Поэтому тор­цы кристалла покрывают серебром и полируют, превращая их в отражающие зеркала. Отражаясь от них, луч многократно пройдет из конца в ко­нец по кристаллу, соберет энергию со всех воз­бужденных ионов и выйдет через узкое отверстие, оставленное в одном из посеребренных концов, т. е. выстрелит красным лучом. Весь этот про­цесс длится тысячные доли секунды.

В последнее время появились и лазеры непре­рывного действия. Они работают как усилители света.

К описанному остается добавить, что генератор «накачки» обычно представляет собой газоразрядную лампу, стеклянная трубка кото­рой спирально обвивает кристалл рубина. Кро­ме того, прибор оборудован сложной системой охлаждения, оптическими устройствами и т. п.

Значительные возможности генераторов све­та, микроволн и инфракрасных лучей обуслов­ливают две физические особенности.

Во-первых, когерентность, монохроматич­ность излучения. Это свойство позволяет накладывать на сигнал генератора моду­ляцию любого вида, что особенно важно для связи.

Во-вторых, передача электромагнитных ко­лебаний, длина волны которых ничтожна по сравнению с радиоволнами, применяемыми в радиотехнике. Короткая волна обеспечивает высокую направленность излучения, которая тем выше, чем больше отношение диаметра антенны к длине волны.

Так, например, антенна (прозрачный то­рец рубинового кристалла) диаметром в 10 мм при длине волны в 0,7 мк имеет такую же на­правленность, как и антенна диаметром в 1,5 км при длине волны в 10 см.

Не удивительно, что луч, выходящий из ру­бина, почти не расходится. Уже существующие лазеры могут высветить на Луне пятно диамет­ром всего в несколько километров! Это особен­но важно для космической связи с ее огромны­ми расстояниями: потери энергии будут сравнительно небольшими. (См. ст. «Разговор с пла­нетами по радио».)

Особенно интересны перспективы примене­ния лазеров и мазеров на космических раке­тах. В космосе можно обойтись без источников тока для накачки генераторов. Здесь всегда есть даровая энергия. В лучах Солнца есть и зеленые лучи; сфокусировав их на кристалле с помощью линз и зеркал, можно обеспечить генераторы и усилители нужной им энергией в любом количестве.

Как именно можно применить оптические частоты в радиотехнике, еще далеко не полно­стью ясно. Но перспективы, открывшиеся уже сейчас, сулят этой области науки и техники грандиозное будущее. Ученые уже говорят и о создании малошумящих усилителей, и об «атом­ных» стандартах частоты, и об очередной проверке теории относительности, и о космической связи на расстоянии, измеряемом световыми годами, и о радиолокации с высочайшей разрешающей способностью, т. е. практически о «радиовиде­нии», и о наземных и космических радиоли­ниях с немыслимой ранее емкостью каналов. Впереди также применение квантово-механических приборов в вычислительных машинах, в управлении химическими реакциями и биоло­гическими процессами, в исследованиях веществ под воздействием чрезвычайно концентрирован­ных потоков световой энергии, плотность кото­рых приближается к плотности энергии в дуге при электросварке.





 
Календарь
«  Декабрь 2016  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031

Новые статьи
Каталог статей
Как подготовить ребенка к школе
Освоение навыков чтения
Природные материалы на уроках труда

Статистика




 
Адрес почты Вопросы по рекомендациям, размещению рекламы и обратных ссылок обращайтесь pochta@enciklopediya1.ru
2013 © 2016